青岛胶州湾海底隧道穿越断层破碎带关键技术研究

摘要

随着经济社会的快速发展，跨越江海已经成为常态，海底隧道作为重要的交通方式，已引起世界各国越来越多的关注。由于海底断层破碎带分布较多，而海底隧道施工不可避免会穿越断层破碎带，同时断层破碎带处围岩稳定性较差，突涌水可能性很大，这就给海底隧道的施工带来较大的潜在风险。因此穿越断层破碎带是海底隧道修建的关键问题，也是推动海底隧道发展的关键技术。
　　本论文在对国内外相关文献资料进行广泛调研的基础上，以青岛胶州湾海底隧道为主要工程背景，综合采用理论解析、数值模拟和现场监测等多种研究手段，对海底隧道穿越断层破碎带围岩岩体综合评价和岩体物理力学参数、超前加固效果及其注浆堵水加固施工技术进行了系统、深入的研究，形成了海底隧道穿越断层破碎带注浆堵水加固施工关键技术体系，得出如下主要结论:
　　(1)提出隧道穿越断裂破碎带大致可分为四种类型:①具绿泥石化错碎物的破碎带，以压扭为主;②具辉绿岩脉强风化加深带的破碎带，以张扭为主;③未胶结～弱胶结压碎～碎裂岩带，破碎物软硬不等，以紧密镶嵌结构为主，多为硬性结构面;④胶结较好的破碎带。并对这四类断层破碎带的围岩稳定性进行分析。
　　(2)采用BQ、Q、RMR分级体系得到岩体质量评价结果，并对三者的围岩分级结果进行对比分析，提出采用综合分级评价的方法对海底隧道围岩进行分级评价，同时给出设计施工可以采用的围岩评价推荐取值。对各分段岩体质量Q指标分级进行系统性的风险分析，得到了各段岩体质量建议值及主要岩体力学参数的建议值。
　　(3)考虑地下水渗流和超前加固对海底隧道围岩稳定性的影响，提出海底隧道超前加固围岩特性曲线计算方法，在既有芬纳解的基础上，推导了考虑渗流场和围岩加固圈的海底隧道弹塑性解，并与数值解进行比较，验证了其正确性。
　　(4)研究裂隙岩体的渗流模型及注浆浆液的性质及其在裂隙岩体中的扩散规律得到，裂隙岩体注浆效果并不是由单一因素决定的，裂隙张开度、裂隙倾角、岩体破碎程度、注浆压力、宽张裂隙分布等因素对浆液扩散范围都有着显著的影响。
　　(5)通过理论与数值模拟，得到海底隧道穿越断层破碎带施工中注浆参数的建议取值，当对断层破碎带等不良地质体进行注浆时，注浆压力3MPa，注浆孔终孔间距4m、单层布设基本可以可满足帷幕注浆需要;当遇到岩体极度破碎、宽张裂隙密布、裂隙倾角不利于浆液扩散，裂隙开度较大等各种不利情况时，注浆孔单层布设，注浆压力提高至4MPa，可以保证注浆效果;若采用全断面注浆，注浆压力3MPa、注浆孔终孔间距4m、排距3m的梅花形布孔方式即可以满足需要。
　　(6)根据海底隧道的特点结合现场试验情况，将海底隧道断层破碎带注浆效果检查方法分为5大类，并且针对每种检查方法给出相应的评价指标，通过对地层特性和注浆效果检验方法的分析，制订了“五参数”注浆效果评价标准作为对注浆效果等级的判断依据。
　　(7)对于所依托的青岛胶州湾海底隧道典型断面，采用周边帷幕注浆的方式，同时根据注浆加固与注浆机理研究成果，选取注浆参数和注浆材料，浆液选择超细水泥，注浆过程完成后，浆液主要沿节理裂隙和软硬交界面及软弱夹层充填，浆液凝固后的结实体基本无收缩，充填饱满，并且，堵水率约为96％，注浆加固效果明显。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 海底隧道穿越断层破碎带技术研究现状

1．2．1 断层破碎带隧道围岩力学特性和稳定性研究现状

1．2．2 隧道围岩特性曲线及超前加固设计参数研究现状

1．2．3 断层破碎带注浆机理研究现状

1．2．4 断层破碎带注浆堵水加固技术研究现状

1．3 研究中存在的问题

1．3．1 海底隧道围岩岩体质量分级

1．3．2 考虑注浆的海底隧道围岩特性曲线

1．3．3 海底隧道断层破碎带注浆机理

1．3．4 断层破碎带注浆堵水加固技术

1．4 论文研究的主要内容

1．5 论文技术路线及研究方法

2 胶州湾海底隧道工程特性、岩体质量与力学参数研究

2．1 青岛胶州湾海底隧道工程概况

2．1．1 工程简介

2．1．2 平面设计概况

2．1．3 纵断面设计概况

2．1．4 工程地质与水文地质

2．1．5 工程特点及难点

2．1 海底隧道断层破碎带控稳控水特征研究

2．1．1 断裂破碎带特性及其对隧道围岩稳定性的影响

2．1．2 强风化加深带及其对隧道围岩稳定性的影响

2．1．3 断层破碎带导水裂隙特征与围岩渗透性

2．2 隧道围岩岩体质量的综合分级评价

2．2．1 岩体质量综合分级评价

2．2．2 岩体质量变异特征与岩体质量取值风险分析

2．2．3 隧道分段岩体质量评价汇总

2．3 隧道围岩岩体力学设计参数研究

2．3．1 岩体单轴抗压强度

2．3．2 岩体变形模量

2．3．3 岩体的内摩擦角

2．3．4 岩体的内聚力

2．3．5 岩体的泊松比和弹性抗力系数

2．3．6 隧道围岩岩体力学设计参数汇总

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 计算模型及基本假定

3．3 各工况弹塑性解析

3．3．1 加固区与非加固区均为弹性区

3．3．2 塑性区仅出现在加固区

3．3．3 望性区仅出现在非加固区

3．3．4 加固区和非加固区均出现塑性区

3．3．5 塑性区发展到加固圈边界

3．3．6 塑性区发展到非加固区

3．4 塑性区发展过程

3．5 工程实例计算

3．5．1 计算模型和计算参数

3．5．2 Process4计算结果分析

3．5．3 Process6计算结果分析

3．5．4 Process9计算结果分析

3．5．5 合理注浆加固圈参数

3．6 本章小结

4 海底隧道断层破碎带注浆机理研究

4．1 裂隙岩体的渗流模型及其可注性

4．1．1 裂隙岩体的渗流模型

4．1．2 裂隙岩体的可注性

4．2 注浆浆液的流变特性及其扩散规律

4．2．1 注浆浆液的流变特性

4．2．2 注浆浆液的扩散规律

4．3 断层破碎带注浆的数值模拟研究

4．3．1 浆液在单裂隙扩散规律分析

4．3．2 破碎岩体中浆液扩散规律研究

4．3．3 注浆压力和浆液扩散范围研究

4．4 本章小结

5 不良地质带注浆堵水加固施工关键技术

5．1 海底隧道注浆设计流程

5．2 海底隧道注浆设计方法

5．2．1 注浆方式选择

5．2．2 注浆材料选择

5．2．3 注浆参数

5．2．4 注浆工艺

5．3 注浆效果检查方法和评定标准研究

5．3．1 注浆效果检查方法

5．3．2 注浆效果评定方法选择及标准

5．3．3 注浆效果评定标准的确定

5．4 周边帷幕注浆工程案例

5．4．1 设计地质概况

5．4．2 超前地质预报情况

5．4．3 现场试验内容及结果

5．4．4 注浆方案

5．4．5 注浆实施

5．4．6 注浆记录参数分析

5．4．7 效果检查与评定

5．5 本章小结

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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